Acceleration and propagation of cosmic rays in high-metallicity astrophysical environments

Der Ursprung der ultra-hochenergetischen kosmischen Strahlung ($10^{18}$-$10^{20}$ eV) ist eines der größten Mysterien in der gegenwärtigen Astrophysik. Obwohl die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds die Teilchenbeschleuniger auf einen Abstand zu unserem Sonnensystem von wenigen 100 Mpc begrenzt, ist die direkte Identifizierung dieser kosmischen Quellen durch die von Magnetfeldern hervorgerufene Ablenkungen der Teilchenbahnen eine sehr anspruchsvolle Aufgabe.

Betrachtet man die aktuellen Beobachtungen der kosmischen Strahlung, deuten die von der Pierre-Auger-Kollaboration durchgeführten Anisotropiesuchen auf eine Korrelation der Ankunftsrichtung der Teilchen mit Starburstgalaxien und aktiven Galaxienkernen hin. ... mehrLetztere stellen dabei den größten Anteil der vom Fermi-Satelliten entdeckten GeV-Gammastrahlenemitter dar. Damit besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass relativistische Teilchen in diesen astrophysikalischen Quellen existieren. Zudem wurde die Emission von Gammastrahlung mit einer Energie im Bereich von TeV von verschiedenen aktiven Galaxien beobachtet, und des Weiteren kürzlich ein IceCube-Neutrinoereignis vorgeschlagen, das mit einem GeV-Flare eines Blazars in Verbindung gebracht werden könnte. Im Fall der Starburstgalaxien erhöhte sich die Zahl der bei GeV-Energien entdeckten Objekte in den letzten acht Jahren von vier auf acht und es ist zu erwarten, dass mit zukünftigen Generationen von Teleskopen zudem weitere dieser Galaxien entdeckt werden können.

Starburstgalaxien und aktive Galaxienkerne wurden zudem auch als Kandidaten für Quellen der ultra-hochenergetische kosmische Strahlung von theoretischen Arbeiten vorgeschlagen. Prozesse, die in beiden astrophysikalischen Quellen ablaufen, sind in der Lage, eine große Menge an Energie freizusetzen, die unter bestimmten Bedingungen in relativistische Teilchen umgewandelt werden kann. Zusätzlich weist die gemessene hohe Metallizität dieser Objekte darauf hin, dass Teilchenkerne mittlerer Masse in diesen Quellen beschleunigt werden können. Diese Kerne mit einer Masse schwerer als ein Proton, aber leichter als ein Eisenkern wurden von der Pierre-Auger-Kollaboration beobachtet.

In dieser Arbeit untersuchen wir die Erzeugung von kosmischer Strahlung in drei verschiedenen Szenarien: in großräumige Stoßwellen, die durch Starburstsuperwinde angetrieben werden, in Bugstoßwellen um Zusammenballungen von kaltem Gas, die in Starburstsuperwinden eingebettet sind, und in Stoßwellen, die durch Kollisionen von Plasmawolken der broad-line Region mit Akkretionsscheiben von aktiven Galaxienkernen erzeugt werden. Alle Analysen wurden mittels semi-analytischer Simulationen durchgeführt, deren Bezugsparameter entsprechend den gesammelten Informationen aus Veröffentlichungen ausgewählt wurden. Auch die hier durchgeführten Studien einzelner Quellen unterliegen Einschränkungen, die auf den elektromagnetischen Multiwellenlängen-Informationen der jeweiligen Objekte basieren. In all diesen astrophysikalischen Gegebenheiten evaluierten wir die Durchführbarkeit der Teilchenbeschleunigung, berechneten die Energieverteilungen der kosmischen Strahlung, bestimmten ihre maximale Energie und berechneten die erwarteten spektralen Energieverteilungen der nichtthermischen Strahlung.

Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen die Komplexität der Erzeugung von Teilchen mit ultrahohen Energien unter gewöhnlichen Bedingungen auf, und helfen dabei die Eigenschaften der Beschleuniger der kosmischen Teilchen einzuschränken. Darüber hinaus zeigen wir die Wichtigkeit, die mehrdeutigen Eigenschaften einzelner Objekte, die gleichzeitig als Starbursts und aktive Galaxienkernen klassifiziert werden können, zu entschlüsseln, um den Ursprung der kosmischen Strahlung bei höchsten Energien zu bestimmen. Alles in allem können die in dieser Arbeit entwickelten theoretischen Modelle zur Interpretation der Beobachtungen beitragen, die die nächsten Generationen von Observatorien für verschiedene Wellenlängen und Astroteilchen liefern werden.

The origin of the ultra-high energy cosmic rays ($10^{18}$-$10^{20}$ eV) is one of the most persistent mysteries of the contemporary astrophysics. Although the radiation of the cosmic microwave background confines the accelerators to a distance of a few hundreds of Mpc, the deflections of the particle trajectories produced by magnetic fields turns the direct identification of individual sources into a very challenging task.

From the observational point of view, the anisotropy searches performed by the Pierre Auger Collaboration indicate some correlation with starburst galaxies and active galactic nuclei. ... mehrThe latter represent indeed the largest fraction of the GeV gamma-ray emitters detected by the Fermi satellite, revealing the existence of relativistic particles in such astrophysical sources. Gamma radiation at TeV energies from various active galaxies has also been observed, and an IceCube neutrino event has been recently suggested to be connected with a GeV flare of a blazar. In the case of starburst galaxies, the number of objects discovered at GeV energies increased from four to eight in the last eight years and more of these galaxies are expected to be detected with future generations of telescopes.

Theoretical studies have also suggested that starburst galaxies and active galactic nuclei are sources of ultra-high energy cosmic rays. Processes taking place in both astrophysical sources are capable of releasing a large amount of energy, which can be converted into relativistic particles in specific situations. Additionally, the high metallicity measured in such objects indicates that indeed intermediate-mass nuclei can be accelerated therein, in agreement with the mass-composition results of the Pierre Auger Collaboration.

In this work, we investigate the production of cosmic rays in three different scenarios: large-scale shocks driven by starburst superwinds, bow shocks around clumps embedded in starburst superwinds, and shocks induced by collisions of broad-line region clouds against accretion disks in active galactic nuclei. All the analyses have been performed through semi-analytical simulations, whose fiducial parameters were chosen according to the compiled information from published bibliography. Studies on specific sources have been conducted applying rigorously the constraints imposed by the multi-wavelength electromagnetic information of the objects. In all these astrophysical situations, we evaluated the feasibility of accelerating particles, calculated the energy distributions of cosmic rays, determined their maximum energies, and computed the foreseen spectral energy distributions of the non-thermal radiation.

The results obtained in this thesis evince the difficulty of generating particles up to ultra-high energies under common conditions and help to constrain the characteristics of the cosmic ray accelerators of such energies. Moreover, we show the importance of disentangling the ambiguous properties of objects simultaneously classified as starbursts and active galactic nuclei, in order to clarify the origin of the cosmic rays at the highest energies. All in all, the theoretical models developed in this work might contribute to the interpretation of the observational information collected by the next generation of observatories at various wavelengths and astroparticle experiments.